一种动力设备框架式基础的结构设计模型参数化处理方法与流程

1.本发明涉及土木工程技术领域，具体为一种动力设备框架式基础的结构设计模型参数化处理方法。


背景技术：

2.动力设备的应用非常广泛，是航海、能源、核电等工业及民用领域不可缺少的重要设备。通常，动力设备精密度高且价值不菲，其基础建造直接影响后期使用。在动力设备基础设计过程中，减振设计往往会对设计方案起到决定作用。若振动超出某一范围，将影响设备精度及正常运转、影响人员正常操作及健康，甚至对周围的建筑物及仪器仪表都会造成不良影响，因此需要重点考虑。
3.目前，我国动力设备基础设计相关规范主要有《动力机器基础设计标准》(gb50040-2020)、《离心式压缩机基础设计规定》(hg 20555-2006)，基础设计应满足地基和基础承载力、变形、稳定性要求，并满足容许振动要求。通过实际工程设计发现，在进行框架式基础设计时，作用点荷载的分配需要进行大量的手工计算，且复杂的楼板开洞，也会使基础顶板荷载的分配、梁截面惯性矩的调整更加复杂。如何减少人工处理，提升空间模型建模效率，是需要解决的问题。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种动力设备框架式基础的结构设计模型参数化处理方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种动力设备框架式基础的结构设计模型参数化处理方法，包括以下步骤：
6.s1：设计数据输入及参数化模型生成
7.根据设计信息，基于rhino grasshopper，建立动力设备框架式基础的结构设计参数化模型；
8.s2：空间计算模型的尺寸确定
9.根据框架式基础设计信息，确定空间计算模型的横向计算跨度、计算高度，可按《离心式压缩机基础设计规定》(hg/t 20555)附录a计算；根据计算跨度、计算高度、框架柱截面尺寸、基础顶板厚度，确定框架式基础空间计算模型的基本信息，包括：
10.基本角点的空间坐标及编号；
11.基本梁线的截面尺寸及端部基本角点的编号；
12.柱线的截面尺寸及端部基本角点的编号；
13.s3：作用点投影及荷载传递系数计算
14.将每个作用点向基本梁线投影，并选取
±
x、
±
y向共4个水平方向最短的投影线作为有效传力线，对应的投影点为有效传力点；提取每个有效传力线的长度，并计算对应有效传力点的荷载传递系数；对每根基本梁线筛选出所有在线上的有效传力点，并按基本梁线
起始基本角点到末尾基本角点的方向依次排序，将每根基本梁线上的有效传力点和基本角点合称为这根基本梁线的结点；
15.s4：结点载荷分配
16.结点承受的荷载分为三类：设备静载、设备扰力以及顶板恒载；
17.对设备静载，将剩余结点上承担的作用点的荷载传递系数乘以作用点处的荷载，得到每个结点承担的设备静载；若单个结点承担的荷载数量大于1，则对荷载进行叠加；
18.设备扰力的分配方式与设备静载相同；
19.对顶板恒载，选取所有基本梁线上剩余的结点，采用voronoi图划分带孔洞的基础顶板壳模型；提取每个结点对应从属壳面的面积，乘以基础顶板厚度和材料重度，可得到每个结点对应的顶板恒载；
20.s5：梁截面宽度调整
21.对每个结点的从属壳面，提取其所有边缘点的x、y坐标，得到从属壳面在x、y向最大覆盖长度lx
max
、ly
max
，结合从属壳面面积a，得到结点所在位置的基础顶板等效尺寸为lx1＝a/ly
max
、ly1＝a/lx
max
；
22.s6：计算模型生成
23.将处理得到的结点、梁线、柱线、材料、截面尺寸、荷载，通过sap2000api，编写建模代码，在sap2000软件中建立框架式基础的空间计算模型。
24.作为本发明一种优选的技术方案，s1中所述的结构设计参数化模型包括带孔洞基础顶板的壳模型，结构设计参数化模型根据动力设备厂商提供的框架基础的总体尺寸和孔洞信息建立。
25.作为本发明一种优选的技术方案，s1中所述的动力设备作用点信息，包括作用点的空间坐标、动力设备传递至作用点的静力荷载、扰力矢量、以及扰力对应的工作转速；作用点信息根据动力设备厂商提供的设计条件建立。
26.作为本发明一种优选的技术方案，s1中所述的框架式基础设计信息，包括材料属性、基础顶板厚度、中间横梁位置、框架柱净高和截面尺寸。
27.作为本发明一种优选的技术方案，s4中，voronoi图由一组连接两相邻点直线的垂直平分线组成的连续多边形组成。
28.作为本发明一种优选的技术方案，对基本梁线上的每段梁，以其两结点在梁线垂直方向上等效尺寸的均值作为该段梁的截面宽度。
29.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
30.1.本发明可以根据输入的框架式基础结构设计信息，实现导荷和空间模型的快速处理，为设计人员减少人工调整模型的时间，提高工作效率；并且可根据顶板开孔洞情况较真实的考虑梁的截面尺寸，从而使框架式基础的动力特性接近实际，具有可靠性。
31.2.本发明采用参数化方法，可自动、快速实现作用点荷载的分配、顶板荷载的分配、以及梁截面宽度的计算，并可将模型数据传入计算软件内，相比传统手算和建模，能节省大量时间，提高工作效率。
32.3.三榀两柱型的框架式基础应用较多，形成的参数化模型和代码可应用在类似工程中，具有复用性。
附图说明
33.图1为本发明的流程示意图；
34.图2为本发明实施例的动力设备框架式基础示意图；
35.图3为本发明实施例的框架式基础设计信息；
36.图4为本发明实施例的作用点有效传力线及有效传力点示意图；
37.图5为本发明实施例的结点从属壳面分割情况；
38.图6为本发明实施例的结点及从属壳面最大覆盖长度示意图；
39.图7为本发明实施例的空间计算模型及7050r/min工作转速下的扰力加载示意；
40.图8为本发明实施例的梁截面尺寸调整情况。
41.图中：1、动力设备；2、框架式基础；3、结构设计参数化模型；4、基础顶板；5、作用点；6、空间计算模型；7、基本角点；8、基本梁线；9、有效传力线；10、有效传力点；11、结点；12、从属壳面；13、边缘点。
具体实施方式
42.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
43.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
44.在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
45.请参阅图1-8，本发明提供一种技术方案：一种动力设备框架式基础的结构设计模型参数化处理方法，包括以下步骤：
46.s1：设计数据输入及参数化模型生成
47.如图2和图3所示，根据设计信息，基于rhino grasshopper，建立动力设备1框架式基础2的结构设计参数化模型3。其中，结构设计参数化模型3包括带孔洞基础顶板4的壳模型，结构设计参数化模型3根据动力设备1厂商提供的框架基础2的总体尺寸和孔洞信息建立；动力设备1作用点5信息，包括作用点5的空间坐标、动力设备1传递至作用点5的静力荷载、扰力矢量、以及扰力对应的工作转速；作用点5信息根据动力设备1厂商提供的设计条件建立；框架式基础2设计信息，包括材料属性、基础顶板4厚度、中间横梁位置、框架柱净高和截面尺寸；
48.s2：空间计算模型的尺寸确定
49.根据框架式基础2设计信息，确定空间计算模型6的横向计算跨度、计算高度；其
中，横向计算跨度为3.0m，计算高度为6.0m。
50.如图3所示，根据计算跨度、计算高度、框架柱截面尺寸、基础顶板4厚度，确定框架式基础2空间计算模型6的基本信息，包括：
51.基本角点7的空间坐标及编号；
52.7条基本梁线8的截面尺寸及端部基本角点7的编号；
53.6条柱线的截面尺寸及端部基本角点7的编号；
54.s3：作用点投影及荷载传递系数计算
55.如图4所示，将13个作用点5分别向7条基本梁线8投影，并选取
±
x、
±
y向共4个水平方向最短的投影线作为有效传力线9，对应的投影点为有效传力点10；提取每个有效传力线9的长度，并计算对应有效传力点10的荷载传递系数：
[0056][0057]
式中，βi为某作用点5第i个有效传力点10的荷载传递系数；di为有效传力线9长度。
[0058]
对每根基本梁线8筛选出所有在线上的有效传力点10，并按基本梁线8起始基本角点7到末尾基本角点7的方向依次排序，将每根基本梁线8上的有效传力点10和基本角点7合称为这根基本梁线8的结点11。
[0059]
设定最小杆件长度为l
max
，l
max
取200mm，计算排序后相邻结点11的距离，若小于l
max
，则删除后一结点11，对应作用点5的荷载传递系数由前一结点11承担。若该结点11为距离末尾基本角点7的最近点，且到两者间的距离小于l
max
，则这一结点11对应作用点5的荷载传递系数由末尾的基本角点7承担。
[0060]
如附图4所示，以三榀横向刚架中最左侧的刚架为例，横梁上的有效传力点10数量为7个。删除长度小于200mm的杆件的后一有效传力点10后，横梁上保留的有效传力点10为5个，加上横梁端点后，横梁上的结点11共7个。
[0061]
s4：结点载荷分配
[0062]
如图5所述，基础顶板4上共形成34个结点11。
[0063]
将每个结点11承担的作用力5的荷载传递系数以作用点5处的荷载，可得到其承担的设备静载。部分结点11承担了2-4个作用点5传递来的荷载，叠加后得到这个结点承担的设备静载。
[0064]
设备扰力的分配方式与设备静载相同；不过由于左侧7个作用点5对应的扰力工作转速为7050r/min，右侧6个作用点5对应的扰力工作转速为13600r/min，结点11承担的扰力需要分别叠加。
[0065]
对顶板恒载，选取所34个结点，采用voronoi插件，划分带孔洞的基础顶板4壳模型，结果如图5所示。提取每个结点11对应从属壳面12的面积，乘以基础顶板4厚度和材料重度，可得到每个结点11对应的顶板恒载。
[0066]
s5：梁截面宽度调整
[0067]
如图6所示，对每个结点11的从属壳面12，提取其所有边缘点13的x、y坐标，得到从属壳面12在x、y向最大覆盖长度lx
max
、ly
max
，结合从属壳面面积a，得到结点所在位置的基础顶板等效尺寸为lx1＝a/ly
max
、ly1＝a/lx
max
；
[0068]
对基本梁线8上的每段梁，以其两结点11在梁线垂直方向上等效尺寸的均值作为
该段梁的截面宽度。
[0069]
s6：计算模型生成
[0070]
如图7所示，处理得到的结点11、梁线、柱线、材料、截面尺寸、荷载，通过基于sap2000 api编写的建模代码，在sap2000软件中建立框架式基础的空间计算模型6。
[0071]
梁截面宽度的调整情况如附图8所示。
[0072]
综上所述，本发明采用结点11从属壳面12的等效长度来定义顶板梁的宽度，能满足规范“当板有开孔时，应按实际截面计算”梁截面惯性矩的要求，且该过程可通过编程及已有工具实现，快速且便捷，形成的空间计算模型的动力特性与精细化实体模型接近，具有可靠性。本发明采用参数化方法，可自动、快速实现作用点荷载的分配、顶板荷载的分配、以及梁截面宽度的计算，并可将模型数据传入计算软件内，相比传统手算和建模，能节省大量时间，提高工作效率。三榀两柱型的框架式基础2应用较多，形成的参数化模型和代码可应用在类似工程中，具有复用性。该方法可以根据输入的框架式基础2结构设计信息，实现导荷和空间模型的快速处理，为设计人员减少人工调整模型的时间，提高工作效率；并且可根据顶板开孔洞情况较真实的考虑梁的截面尺寸，从而使框架式基础2的动力特性接近实际。
[0073]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。